Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Современное состояние аэродинамических исследовании большегрузных автомобилей. Обзор и анализ 11
1.1. Аэродинамическое сопротивление и расход топлива 11
1.2. Дорожные аэродинамические исследования . 16
1.3. Исследования в аэродинамических трубах . 21
1.4. Расчетные методы 46
1.5. Результаты анализа и цели диссертационной работы 49
ГЛАВА II. Разработка методжи испытаний моделей автомобилей в аэродинамических трубах . 52
2.1. Возможность использования общепринятой методики введения поправок к результатам испытаний 52
2.2. Определение поправок на загромождение потока трубы моделями 67
2.3. Определение поправок на влияние границ потока при испытаниях моделей автомобилей по углам скольжения 71
2.4. Влияние способа имитации земной поверхности на аэродинамические характеристики . 78
2.5. Выбор величины зазора медду колесами и экраном 82
2.6. Влияние длины модели на аэродинамические характеристики 84
2.7. Сравнение результатов испытаний моделей автомобилей в аэродинамических трубах Т-ІК и Т-І02 86
Выводы поП главе 91
ГЛАВА III. Механизмы и пути снижения аэродинамического сопротивления шюхообтекаемых тел 93
3.1. Обтекание двух пластин, расположенных друг за другом перпендикулярно к набегающему потоку 95
3.2. Обтекание систем, состоящих из пластин и прямоугольных параллелепипедов 103
3.3. Использование струйных экранов 109
3.4. Новый способ уменьшения аэродинамического сопротивления транспортного средства
3.5. Донное сопротивление плохообтекаемых тел 122
3.6. Донное сопротивление и сопротивление отдельных частей моделей большегрузных автомобилей 124
Выводы поШ главе 127
ГЛАВА ІV. Исследование влияния основных геометрических параметров шрмы моделей больше грузных автомобилей на их аэродйнамические характеристики 129
4.1. Планирование эксперимента 129
4.2. Математическая обработка результатов эксперимента 134
4.3. Влияние геометрических параметров формы модели автомобиля на величину аэродинамических коэффициентов Сх ж cz 143
4.4. Определение оптимальных значений параметров 147
Выводы по ІV главе 153
Заключение 155
Литература 159
Акты внедрения результатов диссертационной работы 171
- Дорожные аэродинамические исследования
- Определение поправок на влияние границ потока при испытаниях моделей автомобилей по углам скольжения
- Новый способ уменьшения аэродинамического сопротивления транспортного средства
- Влияние геометрических параметров формы модели автомобиля на величину аэродинамических коэффициентов Сх ж cz
Введение к работе
В "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года" предусмотрено ускоренное развитие производства грузовых автомобилей с дизельными двигателями, увеличение производства прицепов и полуприцепов для автопоездов. При этом одной из главных задач, стоящих перед автомобильной промышленностью, является повышение топливной экономичности автомобильного транспорта.
Большая роль в решении этой задачи отводится улучшению аэродинамических качеств автомобилей, которые оказывают существенное влияние на тягово-скоростные характеристики, расход топлива, устойчивость и управляемость автомобилей, безопасность движения. Эти вопросы особенно актуальны для большегрузных автомобилей и автопоездов, которые имеют большие габаритные размеры, высокие скорости движения и, соответственно, большие значения аэродинамических коэффициентов сил и моментов.
В настоящее время как в нашей стране так и за рубежом ведутся интенсивные исследования, направленные на улучшение аэродинамических характеристик большегрузных автомобилей. Полная программа аэродинамических исследований обычно включает в себя исследование масштабных моделей в аэродинамических трубах и натурные дорожные испытания.
При этом исследования в аэродинамических трубах позволяют оперативно, с большой точностью и при невысокой стоимости получать аэродинамические характеристики моделей автомобилей в условиях равномерного и хорошо регулируемого потока, как при симметричном обтекании, так и при имитации влияния ветра. Такие испытания особенно полезны при выборе геометрических параметров фор -6 мы вновь проектируемых автомобилей, так как позволяют с небольшими затратами средств и времени проанализировать с точки зрения аэродинамики множество вариантов внешней формы автомобилей. Они используются и для оценки аэродинамических характеристик серийных автомобилей при модернизации их формы и установке на них различных дополнительных аэродинамических устройств типа дефлекторов и обтекателей.
Значительный опыт исследований аэродинамических характеристик автомобилей накоплен в аэродинамической лаборатории Казанского авиационного института. Серьезные исследования аэродинамики автомобилей проводятся также в НАМИ, в институте механики МГУ, в Горьковском сельскохозяйственном институте и других организациях.
Однако подробный анализ советских и зарубежных публикаций по вопросам исследований масштабных моделей большегрузных автомобилей в аэродинамических трубах показывает, что имеющиеся экспериментальные данные трудно анализировать и сопоставлять, так как они получены в разных аэродинамических трубах, на моделях различных масштабов. Слабо изучены вопросы влияния загромождения потока аэродинамической трубы моделями, влияния опорной поверхности (земли) на аэродинамические характеристики. В целом, отсутствует единая методика проведения испытаний масштабных моделей автомобилей в аэродинамических трубах. Недостаточно изучены механизмы аэродинамического сопротивления большегрузных автомобилей как существенно плохообтекаемых тел. Отсутствуют систематические данные о влиянии основных геометрических параметров формы большегрузных автомобилей на их аэродинамические характеристики.
Исследованию этих вопросов и посвящена выполненная диссертационная работа.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов по каждой главе, заключения и списка литературы.
В первой главе проводится анализ современного состояния аэродинамических исследований автомобилей, причем большее внимание уделено большегрузным автомобилям. Выполнен обзор исследований в этой области, проводимых как в нашей стране, так и за рубежом. Анализируются достоинства и недостатки методов дорожных исследований, расчетных методов, и испытаний масштабных моделей в аэродинамических трубах, возможность перехода от аэродинамических характеристик модели к характеристикам натурного большегрузного автомобиля. Сформулированы задачи диссертационной работы.
Вторая глава посвящена вопросам разработки методики испытаний моделей большегрузных автомобилей в аэродинамических трубах с открытой рабочей частью. На основании исследований геометрически подобных моделей автомобилей определены поправки на загромождение потока аэродинамической трубы моделями и влияние его границ, которые необходимо вводить в результаты испытаний в зависимости от масштаба модели. Изучено влияние способа имитации земной поверхности и величины зазора между колесами и неподвижным экраном на аэродинамические характеристики. Дана оценка сходимости опытных данных, полученных при испытаниях одних и тех же моделей в аэродинамических трубах T-IK Казанского авиационного института и T-I02 Центрального аэрогидродинамического института (ЦАГИ).
В третьей главе изучаются механизмы и пути снижения аэродинамического сопротивления плохообтекаемых тел. Приведены результаты экспериментальных исследований, проведенных на простейших моделях: сериях круглых и прямоугольных пластин, а также параллелепипедов с установленными перед ними пластинами. Изменение размеров переднего тела и расстояния между телами позволило получить значительное снижение сопротивления системы, состоящей из двух тел, по сравнению с сопротивлением одиночного заднего тела, что объясняется на основании исследования физической картины обтекания тел и распределения давления по их поверхности. Рассмотрен новый способ существенного снижения аэродинамического сопротивления транспортных средств, заключающийся в использовании перед ними воздушных струйных экранов. Определена доля донного сопротивления и сопротивления передней части тела в общем аэродинамическом сопротивлении испытанных шюхообтекаемых тел и моделей большегрузных автомобилей.
В четвертой главе рассмотрены вопросы влияния основных геометрических параметров формы большегрузных автомобилей на их аэродинамические характеристики. При проведении экспериментальных исследований использована математическая теория планирования многофакторного эксперимента. Получены полиноминальные зависимости коэффициентов лобового сопротивления и боковой силы от геометрических параметров: угла наклона лобового стекла кабины, величины превышения фургона над кабиной, величины зазора между кабиной и фургоном, длины модели. Исследовано влияние каждого из указанных геометрических параметров, при фиксированных остальных, на величину аэродинамических коэффициентов. В результате анализа полученных математических моделей определены оптимальные значения геометрических параметров формы, реализующие минимальные значения коэффициентов лобового сопротивления при различных значениях углов скольжения набегающего потока.
В заключении изложены основные выводы проделанной работы и предложения по практическому применению результатов диссертации.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- Разработана методика исследований моделей большегрузных автомобилей в аэродинамических трубах замкнутого типа с открытой рабочей частью, которая позволяет получать однозначный комплекс аэродинамических характеристик независимо от конкретно используемого масштаба моделей.
- Показано, что неподвижный экран при испытаниях моделей большегрузных автомобилей позволяет с достаточной точностью моделировать реальные дорожные условия обтекания автомобиля потоком воздуха.
- Получен диапазон изменений величины зазора между колесами и неподвижным экраном, в котором значения аэродинамических коэффициентов практически не зависят от величины зазора.
- Проведена работа по сходимости опытных данных, полученных при испытаниях моделей большегрузных автомобилей в аэродинамических трубах, имеющих различную форму выходного сечения сопла
и одинаковые параметры потока. Доказана достоверность полученных результатов и разработанной методики.
- Изучены механизмы аэродинамического сопротивления большегрузных автомобилей на примере простейших моделей. Исследована доля донного сопротивления и сопротивления кабины в общем аэродинамическом сопротивлении модели большегрузного автомобиля.
- Предложен новый способ существенного снижения аэродинамического сопротивления транспортных средств путем использования реализуемых перед ними струйных экранов.
- Показано, что применение математической теории планирования многофакторного аэродинамического эксперимента при испытаниях моделей большегрузных автомобилей в аэродинамических трубах позволяет значительно сократить количество опытов при проведении исследований. Получены полиноминальные зависимости аэродинамических коэффициентов от основных геометрических параметров формы большегрузных автомобилей, определены оптимальные значения параметров.
Практическая ценность работы состоит в том, что разработанная методика испытаний и многопараметрических исследований большегрузных автомобилей в аэродинамических трубах позволяет существенно повысить качество и эффективность исследований при снижении экономических затрат.
Разработанная методика может применяться как при обработке и анализе результатов испытаний, полученных на моделях различных масштабов в разных аэродинамических трубах, так и при проектировании новых аэродинамических труб для испытаний автомобилей.
На заявленный способ уменьшения аэродинамического сопротивления транспортного средства получено положительное решение ВНИИГПЭ о выдаче авторского свидетельства на изобретение.
Диссертация выполнялась в соответствии с планами важнейших научно-исследовательских работ Казанского авиационного института им.А.Н.Туполева, по хоздоговору с Камским объединением по производству большегрузных автомобилей КамАЗ, государственный регистрационный номер темы 80075073, и по договору о творческом содружестве с Ульяновским автомобильным заводом.
Основные результаты работы используются в Управлениях главного конструктора КамАЗа и УАЗа при проектировании новых и модернизации серийных автомобилей, что подтверждено актами внедрения.
Результаты диссертационной работы докладывались на научно-технических конференциях в Казанском авиационном институте в 1976-1983 гг., в Московском авиационном институте в 1978г., в Камском политехническом институте в І98І-І982 гг., в Горьковском сельскохозяйственном институте в 1982-1983 гг., в Куйбышевском авиационном институте в 1982-1983 гг., в Московском автомеханическом институте в 1983 г.,в ДАТИ в 1983 г., на научно-технических советах Управлений главного конструктора КамАЗа и УАЗа в 1980-1983 гг.
Основное содержание диссертации опубликовано в пяти работах: [4] ; [5] ; [6] ; [7] ; [69] .
Дорожные аэродинамические исследования
Дорожные аэродинамические исследования позволяют определить аэродинамическое сопротивление автомобилей в реальных условиях их движения при сравнительно недорогом используемом оборудовании. Они находят широкое применение в аэродинамических исследованиях большегрузных автомобилей и автопоездов.
Основным методом дорожных исследований, которому в настоящее время отдают предпочтение как советские так и зарубежные исследователи, является метод выбега, который обеспечивает больщую точность испытаний по сравнению с методами тензо и динамометрирова-ния и сравнительно прост в реализации [52] . Сущность метода заключается в том, что при движении автомобиля по инерции на горизонтальном участке дороги суммарная сила сопротивления его движению будет складываться из силы аэродинамического сопротивления Pw , сопротивления качению шин Pf и потерь в трансмиссии р . Если пренебречь величиной потерь в трансмиссии, то движение автомобиля в этом случае описывается дифференциальным уравнением:
Это дифференциальное уравнение брали в качестве исходного многие авторы, которые разрабатывали методы движения по инерции: Н.А.Яковлев, Г.В.Зимелев, В.А.Иларионов, Б.С.Фалькевич, Р.Байт, Г.Кост, Б.Ульрих и др. При этом основное отличие их методов заключается в способах решения уравнения ( I.I ).
Если принять допущение о том, что сопротивление качению шин не зависит от скорости движения, и не учитывать также потери в трансмиссии, то решение уравнения (I.I) позволяет получить численные значения коэффициентов аэродинамического сопротивления сх и сопротивления качению шин f . Этот метод нашел широкое применение при дорожных исследованиях легковых автомобилей. Так, R.Е.Klein, D.K.Iyan и др. [95, 97] определяли значения сх и f следующим образом. На легковой автомашине был установлен микрокомпьютер, который принимал информацию от "пятого колеса". Время измерялось с точностью до 0,01с скорость - 0,1 миль/ч и расстояние - с точностью до фута. Эта информация накапливалась и хранилась на магнитных лентах и использовалась для вычерчивания графиков и подсчета величин d\l/dt, сх и f . Для повышения точности испытаний автомобиль после каждого пробега охлаждался, взвешивался, проверялось давление в шинах, измерялась скорость ветра, температура и давление воздуха. Авторы отмечают значительное влияние на точность испытаний вибраций и подскакивания "пятого колеса". Это предъявляет высокие требования к качеству испытательной полосы. Микрокомпьютер, установленный непосредственно в автомобиле, позволяет получать как мгновенные значения коэффициентов сх и f , так и их итоговые величины по результатам испытаний.
Однако реализация этого метода при аэродинамических исследованиях большегрузных автомобилей может привести к существенным ошибкам при вычислении величин сх и f , так как потери в трансмиссии и скоростные потери в шинах для этих автомобилей весьма значительны.
Если потери в трансмиссии, на основании метода, предложенного Б.С.Фалькевичем, можно определить отдельно, по параметрам вращения по инерции трансмиссии и ведущих колес поддомкраченного автомобиля, и вычесть их из суммарной силы сопротивления движению, то с учетом скоростных потерь в шинах дело обстоит гораздо сложнее. Определение сопротивления качению шин на барабанных стендах или по одной из многочисленных эмпирических зависимостей, полученных такими авторами, как А.К.Шруля, Н.А.Яковлев, Н.В.Диваков, Хан, Андре, Дерра, Янте, Хельдт, Мишлен, Гудьир , Клауэ и Коль, Кюнер и др., не позволяет с достаточной точностью получить потери в шинах на дороге в функции скорости движения.
Таким образом, самым сложным вопросом при использовании метода выбега является вопрос отделения аэродинамического сопротивления от других составляющих сопротивления движению автомобиля в реальных дорожных условиях.
В НАМИ, В.В.Московкиным, А.Н.Евграфовым, В.А.Петрушовым и С.А.шуклиным разработан способ, позволяющий выделить сопротивление качению шин грузового автомобиля в зависимости от скорости при движении его по реальной дорожной поверхности 49,50] . Способ заключается в следующем. Автомобиль нагружают так, чтобы обеспечить одинаковые нормальные нагрузки 6д. на каждую шину. Внутреннее давление воздуха в них также устанавливается одинаковым. При испытании автомобиля на горизонтальном участке определяют суммарную силу сопротивления движению в зависимости от скорости. Затем у автомобиля выводят из контакта с дорогой одну или несколько шин, и уменьшив соответственно массу груза, перераспределяют его так, чтобы нормальные нагрузки на оставшиеся колеса остались прежними, т.е. равными Gk . Определяют силу сопротивления движению автомобиля с уменьшенным числом шин в зависимости от скорости. Разница в силах сопротивления движению исходного автомобиля и автомобиля с уменьшенным числом шин дает сопротивление качению шин, выведенных из контакта с дорогой, в зависимости ОТ СКОрОGTH. На основании этого способа авторами получены значения коэффициентов лобового сопротивления воздуха для грузовых автомобилей и автопоездов различного типа.
Новый оригинальный метод определения сопротивления движению автомобиля недавно разработан Петрушовым В.А. [59] . Автор получил на основании решения дифференциального уравнения движения автомобиля при выбеге, учитывающего и потери в трансмиссии, аналитическую зависимость пути выбега в функции текущего времени, в которую не входит скорость. Метод позволяет обойтись без традиционного "пятого колеса", так как отпала необходимость в измерении скорости, существенно упростилась и схема измерений. Информация, замеренная в эксперименте (путь и время выбега, регистрируемые в трех фиксированных точках, а также параметры сопротивления трансмиссии, определенные при испытаниях поддомкраченного автомобиля), вводится в ЭВМ, которая в результате расчета выдает значения коэффициентов сил сопротивления. Все это позволяет значительно повысить точность испытаний.
Определение поправок на влияние границ потока при испытаниях моделей автомобилей по углам скольжения
При использовании для испытаний моделей уменьшенного размера возникает масштабный эффект, который проявляется тем больше, чем меньше масштаб модели [43]. Кроме того, на моделях малого масштаба трудно обеспечить точное геометрическое подобие модели и натуры, затруднена и визуализация обтекания отдельных частей и модели автомобиля в целом. Поэтому исследователи обычно отдают предпочтение моделям больших масштабов. Однако при этом возрастает величина загромождения потока трубы моделями (загромождение определяется как отношение площади миделя модели к площади сечения рабочей части трубы). Растет, соответственно, и величина поправок,которые необходимо вводить в результаты испытаний.
В отечественной практике, при обработке результатов испытаний моделей автомобилей, в каждой из аэродинамических труб (КАИ, МГУ, МАИ и др.) используется своя методика введения поправок. Эта методика разработана как правило для моделей летательных аппаратов. Методика введения поправок к результатам испытаний масштабных моделей автомобилей, учитывающая масштаб и форму модели, отсутствует.
Как показал выполненный выше анализ некоторых зарубежных работ [77,81] , за рубежом также отсутствует единая методика учета влияния загромождения потока аэродинамической трубы моделями автомобилей.
В то же время, при исследовании моделей большегрузных автомобилей, загромождение потока трубы может значительно превышать величину 3 5 %, рекомендуемую некоторыми авторами [45, 46] . Так, например, при испытаниях модели автомобиля КамАЗ - 5320, выполненной в масштабе I ; 5, в аэродинамической трубе КАИ, загромождение составило 7,16 % [26] , у Jngram К.С. в четвертьмасштаб-ной аэродинамической трубе MIRA - 6,65 % [93] и т.д. Такое загромождение может оказать существенное влияние на величину полученных в результате испытаний аэродинамических коэффициентов. В целом, влияние ограниченности потока трубы на аэродинамические характеристики моделей большегрузных автомобилей недостаточно изучено и нуждается в детальном исследовании. Это один из основных вопросов настоящей диссертационной работы, он подробно исследован во второй главе диссертации. Влияние турбулентности. Поток воздуха как в свободной атмосфере, так и в аэродинамических трубах никогда не бывает полностью равномерным и установившимся, он всегда заполнен завихрениями, изменяющимися по величине и интенсивности. В совокупности они дают неравномерную структуру,называемую турбулентностью потока. Проблема турбулентности очень сложна, как при математических, так и при экспериментальных исследованиях. Основной характеристикой турбулентности является степень интенсивности турбулентности є , которая определяется как отношение среднеквадратичной величины пульсаций скорости к ее среднему за некоторый промежуток времени значению в данной точке. Начальная степень интенсивности турбулентности атмосферы в удалении на несколько сотен метров от поверхности земли равна є = 0,02 % , в аэродинамических трубах величина є =0,1+2 %, хотя специальными мерами может быть уменьшена [66] . Турбулентность вблизи поверхности земли значительно больше. Например, величина турбулентности порывов ветра при скорости ветра 20 м/с доходит до 14 % [21] . Кроме того, вблизи земли сущест -32-вуют такие турбулентные вихри, масштабы которых соизмеримы с размерами автомашин. Эти вихри могут взаимодействовать с полем течения вблизи тела, а также влияют на рост, отрыв и присоединение пограничного слоя и развитие следа за автомобилем. Они могут сильно влиять как на картину течения, так и на среднюю аэродинамическую нагрузку. Таким образом не только порывы ветра создают неустановившиеся силы. На автомашину будет действовать поток с турбулентностью, обусловленной рельефами местности, придорожными выемками, насыпями, мостами, и турбулентностью, вызываемой другими автомашинами. Интенсивность турбулентности для автомашины, движущейся навстречу ветру, равна _ХУ— , где уО - среднеквадратич U+V ная величина пульсации скорости ветра, U - скорость ветра, V скорость движения автомашины. На открытой местности величина VDy U составляет приблизительно 0,2 , и если скорость ветра достигает величины, равной 1/3 скорости автомашины, то величина е относительно автомашины будет равна 0,05 з] . Турбулентность потока искажает аэродинамические характерис-ки, так как с увеличением турбулентности набегающего потока точка перехода ламинарного пограничного слоя в турбулентный перемещается вперед.
Тогда для легковых автомашин, у которых как правило значительная часть поверхности обтекается ламинарным потоком, аэродинамическое сопротивление с увеличением турбулентности должно возрастать. Это подтверждается и результатами экспериментов. Так, фирмой General Motors [ill] были проведены испытания модели легкового автомобиля в аэродинамической трубе при равномерном потоке со степенью интенсивности турбулентности 0,1 % и в турбулентном потоке с величиной а = 6 %, с разными углами наклона задней части кузова автомобиля, которые изменялись от 0 до 45. Коэффициент лобового сопротивления модели в турбулентном потоке несколько увеличился по сравнению с равномерным потоком, однако характер зависимости сх от угла наклона задней части сохранился. Увеличение сопротивления относительно плавно обтекаемых тел (цилиндр, шар и др.) при увеличении турбулентности потока отмечается и в ряде других исследований [37,70,71]
У грузовых же автомобилей, которые как правило являются существенно ллохообтекаемыми телами, переход ламинарного пограничного слоя в турбулентный происходит обычно на передних кромках кабины и фургона, и пограничный слой вдоль большей части поверхности получается турбулентным. В этом случае изменение степени интенсивности турбулентности набегающего потока не должно сильно влиять на значения аэродинамических коэффициентов автомобилей. Имеется очень мало экспериментальных данных относительно влияния турбулентности на обтекание тел, форма которых близка к форме грузовых автомашин, вблизи поверхности земли. В работе [з] рассматривается влияние турбулентности на обтекание свободным потоком куба, одна грань которого устанавливалась перпендикулярно направлению потока. Значения Є изменялись от 0 до 9 %. Шло отмечено некоторое уменьшение сопротивления куба при возрастании турбулентности.
Новый способ уменьшения аэродинамического сопротивления транспортного средства
В обзорных работах советских и зарубежных авторов по аэродинамике автомобилей [3,44,52,73,108] отмечается, что аэродинамическое сопротивление большегрузных автомобилей обусловлено в основном срывом потока на передних поверхностях кабины и фургона, разрежением в их донной части и поверхностным трением.
Для того, чтобы определить пути снижения аэродинамического сопротивления таких автомобилей, необходимо в первую очередь разобраться в механизмах образования сопротивления, скажем, путем изучения качественной картины обтекания, а также количественно определить долю каждой из составляющих в общем аэродинамическом сопротивлении автомобиля. Такие исследования удобно проводить на простейших моделях. Эти вопросы и рассматриваются в настоящей главе.
Рассмотрим вначале картину течения в области ближнего следа за осесимметричным плохообтекаемым телом (рис.3.1). В точке S пограничный слой не выдерживает некоторого критического положительного градиента давления и происходит отрыв потока. Нарастающий свободный вязкий слой эжектирует жидкость из области каверны в следе. Вследствие этого давление в области ближнего следа уменьшается и возникает рециркуляционное течение. Существующая поперек вязкого слоя разница давления приводит к его искривлению в сторону оси следа и в точке R вязкие слои сливаются. Поскольку суммарный расход жидкости из области ближнего следа не может быть отличен от нуля, в точке R жидкость возвращается в область отрыва для компенсации удаляемой жидкости в процессе ее эжекции. Причем существует некоторое равновесное положение следа, здесь ажекция играет роль своеобразной обратной связи, которая стабилизирует каверну в области ближнего следа [з] .
Аналогичная картина наблюдается при обтекании тонкого круглого диска, установленного перпендикулярно к набегающему потоку (рис.3.2). Здесь отрыв происходит на острых кромках. На рисунке показана примерная конфигурация и протяженность области ближнего следа, определенные путем визуализации картины течения [48] .
При аэродинамических исследованиях большегрузных автомобилей мы обычно сталкиваемся с обтеканием системы, состоящей из двух или нескольких тел, расположенных друг за другом и связанных между собой (кабина и фургон, тягач с прицепом и т.д.). С точки зрения аэродинамики, вопрос о взаимодействии двух таких плохообтека-емых тел является одним из наиболее интересных и недостаточно изученных. Дело в том, что лобовое сопротивление такой системы нельзя рас читать, имея известные характеристики двух тел, ее образующих, так как заднее тело находится в потоке, существенно искаженном передним телом, кроме того, имеется и некоторое влияние заднего тела на картину обтекания переднего.
Поскольку самой простой моделью тягача с прицепом является система из двух пластин, в аэродинамической трубе T-IK были проведены экспериментальные исследования серий моделей, состоящих из двух круглых, а также из двух прямоугольных пластин, связанных друг с другом и установленных перпендикулярно к набегающему потоку. В процессе эксперимента изменялись относительные размеры пластин и величина расстояния между ними. Число Рейнольдса при испытаниях было равно Re =Ю,6 10 . В качестве характерного размера при вычислении числа Re для круглых пластин был взят диаметр задней пластины fl(2 =0,2 м, а для прямоугольных пластин - большая сторона задней пластины Д = 0,31 м ( размеры пластины 0,25 х 0,31 м, толщина пластин 5" = 0,005 м). Значения коэффициента лобового сопротивления с-а-д, системы пластин расчитаны по площади миделя задней пластины. В результаты испытаний вносились поправки на загромождение потока трубы моделями по разработанной методике .
Стандартная ошибка измерений коэффициента сха одиночного круглого диска по результатам 10-кратных испытаний составила Sn = 0,018. Значения Сха круглого диска в зависимости от числа Re , в диапазоне изменения чисел Re = (0,275 0,6)10 , определяются по следующей эмпирической зависимости, полученной автором в результате эксперимента: Расхождения значений сха в данном диапазоне изменения чисел Re лежат в пределах точности эксперимента.
Известен тот факт, что комбинация из двух круглых дисков одинакового диаметра, разделенных не очень большим зазором и связанных друг с другом, обладает меньшим лобовым сопротивлением, чем одиночный диск[24,48,67] . Результаты, полученные автором данной работы, качественно хорошо согласуются с результатами, полученными другими авторами ( рис.3.3). Некоторые количественные расхождения результатов объясняются отличиями в характеристиках потока аэродинамических труб, разными числами Рейнольдса,
Влияние геометрических параметров формы модели автомобиля на величину аэродинамических коэффициентов Сх ж cz
При проектировании новых или модернизации существующих автомобилей конструктору необходимы четкие рекомендации относительно того, как те или иные геометрические параметры формы влияют на аэродинамические характеристики, какой вклад они вносят в общую картину обтекания автомобиля. Значительное количество изменяемых параметров делает данную задачу многопараметрической и её теоретическое решение из-за большой сложности пока не представляется возможным, а проведение экспериментальных исследований связано с изготовлением большого количества моделей и необходимостью проведения огромного количества экспериментов, т.е. требует больших затрат времени и средств.
С целью уменьшения количества опытов при проведении подобных экспериментальных исследований представляется целесообразным применение математической теории планирования эксперимента. Эта теория возникла в начале 30х годов, благодаря фундаментальным работам английского ученого Р.Фишера, и в настоящее время с успехом применяется при исследовании и оптимизации химических, металлургических и тепловых процессов, автоматических систем и т.д. [25, 54].
Методы математического планирования эксперимента позволяют рационально поставить эксперимент, а именно, провести минимальное количество опытов, дающих полное представление о характере изучаемого процесса. Планирование эксперимента позволяет повысить эффективность инженерных исследований в среднем в 2-Ю раз [4l] .
Кроме того, математическая теория планирования многофакторного эксперимента позволяет получать математические модели зависимости изучаемой функции от изменяемых параметров. Это очень существенно в аэродинамических исследованиях автомобилей, так как конструктору крайне важно, особенно на стадии эскизного проектирования, иметь математическую модель зависимости аэродинамических характеристик от основных геометрических параметров формы.
Известно лишь небольшое количество работ по применению математической теории планирования эксперимента к многопараметрическим аэродинамическим исследованиям. Так, С.П.Загородников и Б.С. Фалькевич [22] применили планирование эксперимента к аэродинамическим исследованиям легковых автомобилей. А.М.Конаков [28]. использовал планирование эксперимента при решении задачи выбора размеров и места установки дефлектора на крыше кабины грузового автомобиля. В отделе аэрогидродинамики Казанского авиационного института с участием автора данной работы математическая теория планирования эксперимента с успехом применяется в многопараметрических исследованиях механизированного крыла, что позволяет повысить эффективность исследований и значительно сократить число опытов, необходимых для количественного описания аэродинамических характеристик при достаточной для практических расчетов точности [5, 69] .
В диссертационной работе математическая теория планирования эксперимента применена для исследования зависимости аэродинамических характеристик от некоторых геометрических параметров формы большегрузных автомобилей.
При этом задача планирования поставлена следующим образом: на основе единого плана эксперимента необходимо получить математические полиноминальные модели зависимости аэродинамических характеристик от геометрических параметров формы, которые позволяют с достаточной точностью получить непрерывный спектр значений характеристик при любых значениях параметров из рассматриваемых интервалов их варьирования и оценить влияние каждого параметра на аэродинамические характеристики.
В качестве геометрических параметров выбраны угол наклона лобового стекла кабины со , величина превышения фургона над кабиной h , величина зазора между кабиной и фургоном- Ь и длина модели L (рис.4.1). Модель выполнена в масштабе 1:10. ІІЬсси модели является масштабной копией шасси серийного автомобиля КамАЗ - 5320. Кабина модели выполнена разборной и обеспечивала получение различных вариантов формы. Варьировались угол наклона лобового стекла и высота кабины. Фургон мог передвигаться относительно кабины, обеспечивая различную величину зазора между кабиной и фургоном. Две отдельно изготовленные приставки к фургону позволяли изменять его длину. Пирита кабины была равна ширине фургона. Верхние и боковые кромки кабины, а также кромки фургона были скруглены, величина радиуса закругления г = 10 мм.
Ограниченный объем работы не позволяет подробно останавливаться на вопросах выбора плана эксперимента. Они приведены автором в научно-технических отчетах [42, 56 ] . В данном исследовании выбран трехуровневый план типа планов Бокса-Бенкина [зб] , которые позволяют обеспечить меньшее количество опытов по сравнению с 5-уровневыми планами, применяемыми при ортогональном и ротота-бельном центральном композиционном планировании.
